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文档介绍
2020高中数学 第1章 点、直线、面的位置关系7 点到面的距离和线面角学案 苏教版必修2
点到面的距离和线面角 一、考点突破 知识点 课标要求 题型 说明 点到面的距离和线面角 1. 理解斜线在平面内的射影及与平面所成角的概念,会求简单的线面角; 2. 理解点到平面的距离的概念,会求简单的点面距离 选择题 填空题 解答题 求点到面的距离和斜线与平面所成的角其实质是垂直关系的应用,其中寻找一个点在平面内的射影是解决问题的难点。 二、重难点提示 重点:掌握点到面的距离和线面角的解法。 难点:如何寻找点在平面内的射影。 考点一:点到平面的距离 1. 点到平面的距离 从平面外一点引平面的垂线,这个点和垂足间的距离叫做这个点到这个平面的距离。 2. 直线和平面的距离 一条直线和一个平面平行,这条直线上任意一点到这个平面的距离,叫做这条直线和这个平面的距离。 【要点诠释】 直线到平面的距离常常转化为点到平面的距离求解。 【规律总结】 求点面距离的常用方法 ① 直接过点作面的垂线,求垂线段的长,通常要借助于某个直角三角形。 ② 转移法:借助线面平行将点转移到直线上某一特殊点到平面的距离求解。 ③ 体积法:利用三棱锥的特征转化位置来求解。(后面章节) 考点二:直线和平面所成的角 1. 斜线 一条直线与一个平面相交,但不和这个平面垂直,这条直线叫做这个平面的斜线,斜线与平面的交点叫做斜足,斜线上一点与斜足间的线段叫做这个点到平面的斜线段。 2. 正投影 过平面α外一点P向平面α引斜线和垂线,那么过斜足Q和垂足P1 7 的直线就是斜线在平面内的正投影(简称射影),线段P1Q就是斜线段PQ在平面α内的射影,如图所示。 3. 直线和平面所成的角 (1)定义:平面的一条斜线和它在平面上的射影所成的锐角,叫做这条直线与这个平面所成的角。特别地:如果直线和平面垂直,那么就说这条直线与平面所成的角是直角;如果直线与平面平行或在平面内,则它们所成的角是0°的角。 (2)范围:设直线与平面所成的角为θ,则0°≤θ≤90°。 (3)画法:如图所示,斜线AP与平面α所成的角是∠PAO。 【核心归纳】求解斜线和平面所成的角的一般步骤是: ① 确定斜线与平面的交点即斜足; ② 经过斜足上除斜足外任一点作平面的垂线,确定垂足,进而确定斜线在平面内的射影; ③ 求解由垂线、斜线及其射影构成的直角三角形。 【核心突破】 求线面角的关键是找直线在相应平面内的射影,其反映了空间问题平面化的思想。 【难点剖析】确定点的射影位置有如下几种方法: ① 斜线上任意一点在平面上的射影必在斜线在平面的射影上; ② 如果一个角所在平面外一点到角的两边距离相等,那么这一点在平面上的射影在这个角的角平分线上; ③ 利用某些特殊棱锥的有关性质,确定顶点在地面上的射影。除此还有其他方法,需要用到后面所学内容。 【随堂练习】如图,∠BOC在平面α内,OA是平面α的斜线,若∠AOB=∠AOC=60°,OA=OB=OC=a,BC=a。 则OA与平面α所成的角为 。 思路分析: 答案:如图,作AH⊥BC于点H,连接OH, ∵OA=OB=OC,∠AOB=∠AOC=60°, △AOB与△AOC均为等边三角形,∴AB=AC=a, 又BC=a,∴AB2+AC2=OB2+OC2=BC2, 7 ∴△ABC与△OBC均为等腰直角三角形, ∴H为BC的中点,且OH⊥BC, 又AH2+OH2=(a)2+(a)2=a2=OA2, ∴AH⊥OH, ∵BC∩OH=H,∴AH⊥平面α,∴OH为OA在平面α内的射影,即∠AOH为OA与平面α所成的角, Rt△OAH中,sin∠AOH==,且∠AOH为锐角, ∴∠AOH=45°,即OA与平面α所成的角为45°。 技巧点拨: 1. 本题在判断AH与OH间的关系时,借助了勾股定理,通过数量关系证明AH⊥OH。 2. 解决线面垂直问题的常用方法 (1)利用勾股定理的逆定理。 (2)利用等腰三角形底边的中线就是底边的高线。 (3)利用线面垂直的定义。 (4)利用平行转化,即a∥b,b⊥c,则a⊥c。 3. 对于线面角的计算,通常借助垂线段、斜线和射影所组成的直角三角形求解。 例题1 (点面距离和线面距离)已知ABCD是边长为4的正方形,E、F分别是AB、AD的中点,GC垂直于ABCD所在的平面,且GC=2,求点B到平面EFG的距离。 思路分析:B到平面EFG的距离转化为O到平面EFG的距离,在三角形中计算长度。 答案:如图,连接EG、FG、EF、BD、AC, 设EF、BD分别交AC于点H、O, ∵四边形ABCD是正方形,E、F分别是AB、AD的中点, 故EF∥BD,H为AO的中点, ∴BD∥平面EFG, ∴点B到平面EFG的距离就等于BD到平面EFG之间的距离, 过点O作OK⊥GH,垂足为K, ∵EF∥BD, ∴EF⊥AC, 易证GF=GE,又H为EF的中点, ∴GH⊥EF, ∵GH与AC交于点H, ∴EF⊥平面GHC. ∴OK⊥EF, 7 ∵OK⊥GH,且GH∩EF=H, ∴OK⊥平面GEF, ∴OK的长度即为O(B)到平面GEF的距离, ∵正方形ABCD的边长为4, ∴GC=2,AC=4,HO=,HC=, 在Rt△HCG中,HG=, 易证△HKO∽△HCG, ∴OK= 即点B到平面EFG的距离为。 技巧点拨:当直线与平面平行时,直线上每一点到平面的距离相等,因此线面距离可以转化为点面距离,而点面距离又可以根据线面平行灵活取点求解。 例题2 (求直线与平面所成的角) 在正方体ABCD-A1B1C1D1中, (1)求A1B与平面AA1D1D所成的角; (2)求A1B与平面BB1D1D所成的角。 思路分析:找A1B分别在平面AA1D1D及平面BB1D1D内的射影,借助三角形的知识分别求解便可。 答案:(1)∵AB⊥平面AA1D1D, ∴∠AA1B就是A1B与平面AA1D1D所成的角,在Rt△A1AB中,∠BAA1=90°,AB=AA1, ∴∠AA1B=45°, ∴A1B与平面AA1D1D所成的角是45°; (2)如图,连接A1C1交B1D1于点O,连接BO, ∵A1O⊥B1D1,BB1⊥A1O, ∴A1O⊥平面BB1D1D, ∴∠A1BO就是A1B与平面BB1D1D所成的角, 设正方体的棱长为1,∴A1B=,A1O=, 又∵∠A1OB=90°, 7 ∴sin∠A1BO=,∴∠A1BO=30°, ∴A1B与平面BB1D1D所成的角是30°。 技巧点拨: 1. 求直线和平面所成角的步骤:(1)寻找过斜线上一点与平面垂直的直线;(2)连接垂足和斜足得到斜线在平面上的射影,斜线与其射影所成的锐角或直角即为所求的角;(3)把该角归结在某个三角形中,通过解三角形,求出该角。 2. 在上述步骤中,作角是关键,而确定斜线在平面内的射影是作角的关键,几何图形的特征是找射影的依据,图形中的特殊点是突破口。 例题3 (立体几何中的综合运用)(山东济宁模拟) 已知在棱长为1的正方体ABCD-A1B1C1D1中,P是侧棱CC1上的一点,CP=m。 (1)试确定m的值,使得直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为。 (2)在线段A1C1上是否存在一个定点Q,使得对任意的m,D1Q在平面APD1上的射影垂直于AP,证明你的结论。 思路分析:(1)证明AO⊥平面BDD1B1,找到线并求出线面角; (2)猜测Q为A1C1的中点,并证明。 答案:(1)连接AC,设AC∩BD=O,AP与平面BDD1B1交于点G,连接OG, 因为PC∥B1B,B1B⊂平面BDD1B1, 所以PC∥平面BDD1B1,平面BDD1B1∩平面APC=OG, 故OG∥PC,所以OG=PC=, 又AO⊥DB,AO⊥BB1,DB∩BB1=B, 所以AO⊥平面BDD1B1, 故∠AGO即为AP与平面BDD1B1所成的角, 在Rt△AOG中,tan∠AGO===,即m=, 故当m=时,直线AP与平面BDD1B1所成角的正切值为; (2)存在理由:依题意,要在A1C1上找一点Q,使得D1Q⊥AP,可推测A1C1的中点O1即为所求的Q点, 因为D1O1⊥A1C1,D1O1⊥AA1,AA1∩A1C1=A1, 所以D1O1⊥平面ACC1A1,又AP⊂平面ACC1A1, 故D1O1⊥AP,从而D1O1在平面AD1P上的射影与AP垂直,所以存在定点Q满足题意。 技巧点拨:要充分挖掘题目中的垂直关系,求线面角的关键是作出面的垂线。 7 因思考不周全致误 例题 已知平面α外两点A、B到平面α的距离分别为1和2,A、B两点在平面α内的射影之间的距离为,求直线AB和平面α所成的角。 错解:如图,由点A、B分别向平面α作垂线,垂足分别为A1、B1,则AA1=1,BB1=2,B1A1=, 由点A向BB1作垂线,垂足为H,则AB与平面α所成的角即为AB与AH所成的角,即∠BAH为AB与平面α所成的角, 在Rt△BHA中,AH=A1B1=, BH=BB1-AA1=1, ∴tan∠BAH==,∴∠BAH=30°, ∴AB与平面α所成的角为30°。 错因分析:上述解法的错误在于仅考虑了A、B两点在平面α同侧的情形,而忽略了A、B两点位于平面α异侧的情形。 防范措施:点、线、面的位置不同,所得出的结论往往不同,本题中AB射影位置的确定依赖于A,B两点的位置,而A,B可能在平面的同侧,也可能在平面的两侧,必须对两种情况分别加以讨论。 正解:①当点A、B在平面α的同侧时,由以上知直线AB与平面α所成的角为30°; 图(2) ②当点A、B位于平面α的异侧时,如图(2),由点A、B分别向平面α作垂线,垂足分别为A1、B1,AB与平面α相交于点C,A1B1为AB在平面α上的射影, ∴∠BCB1或∠ACA1为AB与平面α所成的角, 在Rt△BCB1中,BB1=2, 在Rt△AA1C中,AA1=1, ∵△BCB1∽△ACA1,∴=2, 7 ∴B1C=2CA1,而B1C+CA1=,∴B1C=, ∵tan∠BCB1==,∴∠BCB1=60°, ∴AB与平面α所成的角为60°, 综合①、②可知:AB与平面α所成的角为30°或60°。 7查看更多